Origin of complexity in haemoglobin evolution

合作性 异四聚体 四聚体 变构调节 基因复制 蛋白质亚单位 亲缘关系 同四聚体 生物 配体(生物化学) 化学 进化生物学 计算生物学 生物物理学 基因 遗传学 生物化学 受体
作者
Arvind Pillai,Shane A. Chandler,Yang Liu,Anthony V. Signore,Carlos R. Cortez-Romero,Justin L. P. Benesch,Arthur Laganowsky,Jay F. Storz,Georg K. A. Hochberg,Joseph W. Thornton
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:581 (7809): 480-485 被引量:140
标识
DOI:10.1038/s41586-020-2292-y
摘要

Most proteins associate into multimeric complexes with specific architectures1,2, which often have functional properties such as cooperative ligand binding or allosteric regulation3. No detailed knowledge is available about how any multimer and its functions arose during evolution. Here we use ancestral protein reconstruction and biophysical assays to elucidate the origins of vertebrate haemoglobin, a heterotetramer of paralogous α- and β-subunits that mediates respiratory oxygen transport and exchange by cooperatively binding oxygen with moderate affinity. We show that modern haemoglobin evolved from an ancient monomer and characterize the historical 'missing link' through which the modern tetramer evolved-a noncooperative homodimer with high oxygen affinity that existed before the gene duplication that generated distinct α- and β-subunits. Reintroducing just two post-duplication historical substitutions into the ancestral protein is sufficient to cause strong tetramerization by creating favourable contacts with more ancient residues on the opposing subunit. These surface substitutions markedly reduce oxygen affinity and even confer cooperativity, because an ancient linkage between the oxygen binding site and the multimerization interface was already an intrinsic feature of the protein's structure. Our findings establish that evolution can produce new complex molecular structures and functions via simple genetic mechanisms that recruit existing biophysical features into higher-level architectures.
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